煤巖動(dòng)力災(zāi)害，主要包括煤與瓦斯突出和沖擊礦壓。突出是采掘工作面周圍煤巖向采掘空間高速噴出的一種動(dòng)力災(zāi)害過(guò)程，高地應(yīng)力和高壓瓦斯是能量的主要來(lái)源。我國(guó)最大的突出災(zāi)害發(fā)生在四川三匯壩一井，在幾鐘內(nèi)突出煤巖12780噸，噴出瓦斯氣體140萬(wàn)立方米。沖擊礦壓災(zāi)害是在高應(yīng)力作用下，采掘空間周圍的煤巖體失穩(wěn)破壞并向采掘空間高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力災(zāi)害過(guò)程，高地應(yīng)力是主要能量來(lái)源。我國(guó)最大的沖擊礦壓發(fā)生在撫順老虎臺(tái)礦，震級(jí)達(dá)到里氏4.3級(jí)。
　　
　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害除造成人員傷亡外，還嚴(yán)重摧毀巷道等采掘空間、破壞保障安全的通風(fēng)系統(tǒng)。災(zāi)害過(guò)程伴隨礦井瓦斯涌出異常，常誘發(fā)重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群傷。2004年鄭州大平礦死亡148人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故；2005年遼寧阜新孫家灣礦死亡214人的沖擊—瓦斯爆炸事故；2009年黑龍江鶴崗新興煤礦死亡108人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故。這類災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井安全，是煤礦重大工程災(zāi)害。
　　
　　我國(guó)是世界上煤巖動(dòng)力災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。截至2010年，我國(guó)已備案的煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦井達(dá)1420多個(gè)。由于種種原因，還有超過(guò)一倍數(shù)量的這類礦井沒(méi)有備案。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已累計(jì)發(fā)生31000多次動(dòng)力災(zāi)害，平均每年死亡近300人。目前，除海南、廣東、福建、浙江、西藏等少數(shù)省區(qū)外，我國(guó)主要采煤省區(qū)不同程度地受動(dòng)力災(zāi)害的威脅，著名的平頂山、淮南礦區(qū)的主力礦井全部為突出礦井，兗州礦區(qū)主力礦井受沖擊災(zāi)害威脅嚴(yán)重。
　　
　　隨著煤礦開采深度的不斷增大，災(zāi)害更為嚴(yán)重，預(yù)防的難度也在不斷加大。我國(guó)煤礦國(guó)有重點(diǎn)礦平均采深700米，最深達(dá)1365米，煤層最大瓦斯壓力達(dá)10兆帕。來(lái)自權(quán)威部門的統(tǒng)計(jì)表明，“十一五”期間，我國(guó)煤礦重、特大瓦斯突出事故的起數(shù)和死亡人數(shù)分別占40%和28.5%；2010年發(fā)生的11起重特大瓦斯事故中，煤與瓦斯突出事故6起，死亡150人，分別占54.5%和68.2%。從煤礦重特大事故看，煤與瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故是今后減少煤礦重特大事故的重中之重。
　　
　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防是世界性難題
　　
　　煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害的本質(zhì)是含有高壓瓦斯的煤巖體在內(nèi)部能量和損傷積累到一定條件下快速失去穩(wěn)定性，坍塌并釋放巨大能量的動(dòng)力災(zāi)害過(guò)程，是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性力學(xué)現(xiàn)象。受地質(zhì)條件、采掘布局、開采技術(shù)條件和煤巖性質(zhì)等多種因素的綜合影響，其預(yù)防是世界性難題。世界主要采煤大國(guó)，不論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，均深受其害。由于預(yù)防難度大，無(wú)法避免災(zāi)害造成人員傷亡，世界動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和蘇聯(lián)基本關(guān)閉了具有動(dòng)力災(zāi)害，特別是瓦斯突出災(zāi)害的礦井。
　　
　　我國(guó)主要產(chǎn)煤區(qū)均受動(dòng)力災(zāi)害威脅。煤炭是我國(guó)主要能源，2000年以來(lái)，煤炭產(chǎn)量以每年超過(guò)GDP的速度增加，引領(lǐng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，受動(dòng)力災(zāi)害威脅煤礦仍需長(zhǎng)期開采，如平頂山、淮南等。因此，有效預(yù)防煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害是我國(guó)煤礦必須面對(duì)的問(wèn)題。
　　
　　在我國(guó)，煤系地層受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)防難度極大、危險(xiǎn)高。煤礦瓦斯突出災(zāi)害預(yù)防難度大的另外一個(gè)原因是機(jī)理不清。長(zhǎng)期以來(lái)，世界突出預(yù)防一直以蘇聯(lián)學(xué)者霍多特提出的綜合作用定性假說(shuō)為指導(dǎo)，它表明了突出主要受應(yīng)力、煤層瓦斯和煤層物理力學(xué)性質(zhì)等三個(gè)主要因素影響，但并未揭示這些因素如何耦合并影響災(zāi)害動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。機(jī)理不清，使得預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低，防治措施針對(duì)性不強(qiáng)，導(dǎo)致事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重惡化煤礦安全環(huán)境。
　　
　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害是突發(fā)性的動(dòng)力災(zāi)害，其發(fā)生具有很強(qiáng)的時(shí)間、空間隨機(jī)性和不確定性�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)突出危險(xiǎn)參數(shù)、預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性和實(shí)施放突措施不僅困難，而且非常危險(xiǎn)。我國(guó)湖南、江西、貴州、四川、重慶、河南等嚴(yán)重突出礦區(qū)在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和執(zhí)行放突措施過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生突出事故。筆者在研究突出時(shí)，也常遇到這樣的情況。在焦作中馬村礦井下實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到一次突出，當(dāng)時(shí)在工作面前方實(shí)施突出危險(xiǎn)鉆孔時(shí)噴出近一噸煤粉，眼前什么也看不見，想跑都沒(méi)法跑，后來(lái)噴孔停止了，才躲過(guò)一劫。在煤礦井下開展突出和沖擊礦壓研究，須面臨十分危險(xiǎn)的環(huán)境，但越是危險(xiǎn)的地方，越需要去考察、實(shí)測(cè)和分析。
　　
　　傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是通過(guò)向煤體打鉆測(cè)試鉆屑量、瓦斯參數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的預(yù)測(cè)信息量少，準(zhǔn)確率低，還時(shí)常發(fā)生低指標(biāo)突出及高指標(biāo)不突出的情況，更容易漏報(bào)、誤報(bào)，造成嚴(yán)重后果。而且打預(yù)測(cè)鉆孔時(shí)擾動(dòng)煤體，常誘發(fā)突出事故，具有很大的危險(xiǎn)性。
　　
　　針對(duì)我國(guó)煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防存在的問(wèn)題，我們?cè)诿簬r動(dòng)力災(zāi)害態(tài)演化過(guò)程及機(jī)理、煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警理論與技術(shù)等關(guān)鍵科學(xué)和工程應(yīng)用難題進(jìn)行了長(zhǎng)期的攻關(guān)研究，取得了一些重要進(jìn)展。
　　
　　突出的流變—突變機(jī)理
　　
　　在煤與瓦斯突出現(xiàn)場(chǎng)，筆者的博士導(dǎo)師周世寧院士和筆者發(fā)現(xiàn)，突出區(qū)域的煤體存在向突出孔洞流動(dòng)的現(xiàn)象。四川三匯壩特大瓦斯突出地點(diǎn)300米以外的地方有明顯的流動(dòng)痕跡。受此啟發(fā)，我們用流變力學(xué)的方法對(duì)含瓦斯煤巖的流變破壞規(guī)律進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，含瓦斯煤巖體在高地應(yīng)力作用下是強(qiáng)流變介質(zhì)，應(yīng)力、孔隙氣體壓力越高、吸附性越強(qiáng)，煤巖的流變性越強(qiáng)。根據(jù)流變力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究建立的含瓦斯煤巖三維流變本構(gòu)方程揭示了應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖力學(xué)特性、時(shí)間四大要素之間的非線性演化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含瓦斯煤巖流變破壞過(guò)程的本構(gòu)方程描述。
　　
　　基于流變本構(gòu)方程和突出現(xiàn)象，提出了煤與瓦斯突出的流變—突變機(jī)理。該機(jī)理說(shuō)明，突出現(xiàn)象的本質(zhì)是含瓦斯煤體在應(yīng)力、瓦斯、煤層物理力學(xué)性質(zhì)和時(shí)間四大要素作用下的流變—突變破壞過(guò)程。含瓦斯煤體流變破壞速度和能量分布是否異常，是突出能否發(fā)生的關(guān)鍵。煤與瓦斯突出災(zāi)害在時(shí)間上，具有突出的孕育準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展和結(jié)束四個(gè)階段。
　　
　　突出的流變—突變機(jī)理告訴我們，煤與瓦斯突出是含瓦斯煤巖體流變破壞動(dòng)態(tài)演化后發(fā)生突變的結(jié)果，這是有效預(yù)測(cè)和防治突出的最根本基礎(chǔ)。要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)突出，給出早期預(yù)警，必須找到監(jiān)測(cè)流變破壞過(guò)程的工具。“卸應(yīng)力、抽瓦斯、控流變、防突變”是流變—突變理論昭示的防治突出災(zāi)害的基本原則，已被突出礦井防突工程普遍采用，效果顯著，并被《煤礦防治煤與瓦斯突出規(guī)定》采納。例如，沈煤集團(tuán)紅菱礦12號(hào)煤層突出嚴(yán)重，按照卸應(yīng)力、抽瓦斯、控流變、防突變的原則，開采與之相距16米、厚度僅40厘米的11號(hào)煤層，同時(shí)采一米厚巖石，采后消除了12號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)，確保了安全高效開采。
　　
　　該理論的重要理論意義在于，它解釋了以前無(wú)法解釋的延期突出、硬煤突出、突出過(guò)程瓦斯噴出量遠(yuǎn)大于拋出煤瓦斯含量等突出現(xiàn)象。延期突出是含瓦斯煤流變發(fā)展到突變的結(jié)果；只要條件具備，硬煤也會(huì)發(fā)生突出；突出過(guò)程中，整個(gè)流變區(qū)域瓦斯是噴出瓦斯的重要補(bǔ)給源。這對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)區(qū)域具有重要意義。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際突出現(xiàn)象驗(yàn)證了流變—突變機(jī)理。如寺河礦2008年“5·20”突出事故等，驗(yàn)證了硬煤突出的結(jié)論；應(yīng)用該理論查明了大平礦“10·20”特大瓦斯事故原因是延期突出。
　　
　　電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)裝備與方法
　　
　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害的本質(zhì)是煤巖體經(jīng)過(guò)流變破裂演化過(guò)程而發(fā)生的瞬間突變行為。實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤巖流變破壞過(guò)程及狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握采掘空間含瓦斯煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)，是突出災(zāi)害預(yù)防工程、技術(shù)及研究人員的夢(mèng)想，但一直沒(méi)有得到很好的解決。
　　
　　筆者在含瓦斯煤巖流變突變破壞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，流變破壞過(guò)程伴隨產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象，并從1992年起開始專注于這一方向的研究。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和煤礦井下工程實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)電磁輻射是煤巖流變—突變破壞過(guò)程中的一種能量輻射形式，它與應(yīng)力、瓦斯壓力密切相關(guān)。應(yīng)力和瓦斯壓力越高，煤巖體變形破裂越強(qiáng)烈，電磁輻射越強(qiáng)。因此，可以用電磁輻射監(jiān)測(cè)煤巖體流變—突變形成災(zāi)害的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害的早期預(yù)警。
　　
　　研究結(jié)果表明，煤巖電磁輻射信號(hào)是頻譜范圍寬、強(qiáng)度弱的脈沖信號(hào)。如何在煤礦井下實(shí)測(cè)到這些非常微弱的信號(hào)，面臨著很多難題。一是缺乏專用的工程監(jiān)測(cè)儀表；二是地面的監(jiān)測(cè)儀表無(wú)法直接下井，需要解決儀器防水、防塵和防爆的問(wèn)題；三是煤礦井下采掘空間也有很多機(jī)電設(shè)備，其工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)很強(qiáng)。通過(guò)多年的努力，筆者與科研團(tuán)隊(duì)成功發(fā)明了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、主要由高靈敏度寬頻帶定向接收天線和智能監(jiān)測(cè)主機(jī)組成的系列化煤巖流變破壞電磁輻射監(jiān)測(cè)裝備，為煤巖流變破壞過(guò)程監(jiān)測(cè)和煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了基礎(chǔ)工具和應(yīng)用裝備。該裝備成功解決了抗干擾、防爆、防塵、防水等難題，與軟件配套解決了復(fù)雜信號(hào)濾波、多源信息自動(dòng)處理、生產(chǎn)工藝干擾信號(hào)和有效信號(hào)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)辨識(shí)問(wèn)題。該裝備通過(guò)了國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)檢驗(yàn)和認(rèn)證。
　　
　　在進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警煤巖動(dòng)力災(zāi)害工程驗(yàn)證及工業(yè)性試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同傳統(tǒng)鉆孔檢測(cè)技術(shù)一樣，存在著預(yù)警臨界值難以確定和臨界值法預(yù)警準(zhǔn)確率低等問(wèn)題。通過(guò)與鉆孔指標(biāo)、動(dòng)力顯現(xiàn)和實(shí)際發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)確定預(yù)警臨界值是非常困難的，而且周期很長(zhǎng)。因此，需要從理論上解決監(jiān)測(cè)預(yù)警的指標(biāo)、方法和臨界值確定等問(wèn)題。
　　
　　我們基于電磁輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律和損傷力學(xué)理論，建立了煤巖流變破壞力—電耦合理論模型。它建立起電磁輻射與應(yīng)力、破裂間的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系；基于煤巖動(dòng)力災(zāi)害流變—突變規(guī)律和煤巖力—電耦合模型建立了煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)則，確定了臨界值與動(dòng)態(tài)趨勢(shì)相結(jié)合的預(yù)警方法，并得出煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)臨界條件的無(wú)量綱值域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害無(wú)危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和強(qiáng)危險(xiǎn)的三級(jí)預(yù)警，解決了預(yù)警臨界值難以確定的問(wèn)題，改變了過(guò)去只依靠臨界值法預(yù)警而準(zhǔn)確率低的歷史，顯著提高了預(yù)警準(zhǔn)確率。
　　
　　電磁輻射監(jiān)測(cè)裝備實(shí)現(xiàn)了非接觸式、定向、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了煤巖動(dòng)力災(zāi)害全過(guò)程及全空間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信息量和準(zhǔn)確率顯著提高，操作非常簡(jiǎn)便。該項(xiàng)技術(shù)成果被列入《國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃》和國(guó)家《安全生產(chǎn)重點(diǎn)推廣技術(shù)目錄》，在全國(guó)近百家礦山獲得應(yīng)用，在全國(guó)7所高校用于煤巖電磁輻射實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。已經(jīng)在50%以上的國(guó)有重點(diǎn)突出煤礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，在我國(guó)90%以上有沖擊礦壓危險(xiǎn)煤礦進(jìn)行了工程應(yīng)用，成為沖擊礦壓的主要監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，有效預(yù)防了煤礦沖擊礦壓傷亡事故。如在徐州三河尖煤礦，近60%可采煤層區(qū)域受沖擊礦壓威脅，有些采區(qū)因?yàn)闆_擊礦壓災(zāi)害嚴(yán)重，又沒(méi)有可靠的檢測(cè)預(yù)警手段，礦工不敢下井而被迫停止開采。電磁輻射預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到該礦，實(shí)現(xiàn)了可靠預(yù)警，對(duì)有沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域采用卸壓措施，消除了沖擊礦壓危險(xiǎn)，保證了安全回采。在該礦沖擊礦壓災(zāi)害最嚴(yán)重的7204工作面回采過(guò)程中，電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成功預(yù)警到了38次沖擊礦壓危險(xiǎn)并被驗(yàn)證。
　　
　　此外，該技術(shù)裝備還被用于隧道穩(wěn)定性評(píng)估。重慶朝天門隧道頂部建有兩座36層大樓，1999年發(fā)現(xiàn)隧道有滲水、開裂等不穩(wěn)定性征兆，采用電磁輻射等技術(shù)實(shí)測(cè)評(píng)估圍巖確實(shí)在發(fā)生動(dòng)態(tài)破壞，并確定了危險(xiǎn)位置，后期實(shí)施了加固工程。電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在沖擊礦壓比較嚴(yán)重的波蘭ZOFIOWKA煤礦進(jìn)行了成功的應(yīng)用。在巖爆嚴(yán)重的加拿大IAMGOLD金礦也進(jìn)行了成功的應(yīng)用。
　　
　　電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及裝備，為研究煤巖破壞規(guī)律提供了一種新的有效監(jiān)測(cè)和辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖流變破壞過(guò)程的非接觸連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化、智能化，提高預(yù)警的可靠性具有重要促進(jìn)作用。在礦山和地下工程方面也有廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害非常復(fù)雜，隨著采深加大、地質(zhì)環(huán)境和采礦活動(dòng)的變化，其監(jiān)測(cè)預(yù)警難度更大。筆者只是在這一領(lǐng)域做了一些初步的開創(chuàng)性工作，煤巖動(dòng)力災(zāi)害的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)警和有效防治任重道遠(yuǎn)，還需要更艱苦的研究探索。
　　
　�。ㄗ髡呦抵袊�(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院教授）
　　

　　
　　作者：何學(xué)秋
　　來(lái)源：《科學(xué)時(shí)報(bào)》